Коллектив авторов - Концепции современного естествознания. Учебное пособие
5) точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.
Другая фундаментальная теория современной физики – теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Г. Галилеем принцип относительности в механическом движении. Также эта теория впервые ясно показала, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика.
Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся тел и их пространственно-временной метрикой. А. Эйнштейн (1879–1955), выдающийся американский ученый, физик-теоретик, сформулировал некоторые основные свойства пространства и времени исходя из своей теории:
1) их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть);
2) их абсолютность – они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования;
3) неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей;
4) единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве;
5) количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств. По существу относительность восторжествовала и в квантовой механике, т. к. ученые признали, что нельзя:
1) найти объективную истину безотносительно от измерительного прибора;
2) знать одновременно и положение, и скорость частиц;
3) установить, имеем мы в микромире дело с частицами или с волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX в. Учитывая столь огромный вклад в современную науку и большое влияние на нее А. Эйнштейна, третью фундаментальную парадигму в истории науки и естествознания назвали эйнштейновской.
Другие основные достижения современной научно-технической революции сводятся к созданию ОТС – общей теории систем, позволившей взглянуть на мир как на единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем.
В 1970-х гг. появилось такое междисциплинарное направление исследований, как синергетика, изучающая процессы самоорганизации в системах любой природы: физических, химических, биологических и социальных.
Произошел огромный прорыв в науках, изучающих живую природу. Переход от клеточного уровня исследования к молекулярному ознаменовался крупнейшими открытиями в биологии, связанными с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез происхождения жизни и многого другого. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия различных естественных наук, широкого использования в биологии точных методов физики, химии, информатики и вычислительной техники. В свою очередь живые системы послужили для химии природной лабораторией, опыт которой ученые стремились воплотить в своих исследованиях по синтезу сложных соединений.
Говоря о революциях в естествознании (а их всегда как минимум выделяют три: аристотелевскую, ньютоновскую и эйнштейновскую) следует отказаться от наивных и предвзятых представлений о них как процессах, связанных с ликвидацией прежнего знания, с отказом от преемственности в развитии науки и прежде всего ранее накопленного и проверенного эмпирического материала, а признать и принять весьма актуальный в связи с существующей проблемой «радикальных прорывов» в науке принцип соответствия Н. Бора, который гласит, что ни одна новая теория не отрицает начисто предыдущую, а вбирает ее в себя на правах частного случая.
Лекция 4. Принципы, категории и законы физической картины мира
Что понимается под физической картиной мира? Под физической картиной мира мы будем понимать образ мира, складывающийся как в результате деятельности сообщества физиков, так и в результате логико-методологического и философского осмысления и критики этого образа.
Смысловыми блоками – этапами построения физической картины мира – являются: классическая физика, включающая механику, оптику, термодинамику, электродинамику, и неклассическая физика, включающая специальную и общую теорию относительности, квантовую механику, квантовую теорию поля, элементы построения единой теории поля.
1. Классическая физика. Классическая механика
Возникновение классической механики явилось началом превращения физики в строгую науку, т. е. систему знания, утверждающую истинность, объективность, обоснованность и проверяемость как своих исходных принципов, так и своих конечных выводов. Это возникновение происходило в XVI–XVII в. и связано с именами Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона. Именно они осуществили «математизацию» природы и заложили основы экспериментально-математического взгляда на природу. Они представили природу как множество «материальных» точек, обладающих пространственно-геометрическими (форма), количественно-математическими (число, величина) и механическими (движение) свойствами и связанных причинно-следственными зависимостями, которые можно выразить в уравнениях математики.
Начало превращения физики в строгую науку было положено Г. Галилеем. Он сформулировал ряд фундаментальных принципов и законов механики. А именно:
1) принцип инерции, согласно которому, когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлении движению, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца;
2) принцип относительности, согласно которому в инерциальных системах все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить, движется она прямолинейно и равномерно или покоится;
3) принцип сохранения скоростей и сохранения пространственных и временных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой. Это знаменитое галилеево преобразование.
Целостный вид логико-математически организованной системы основных понятий, принципов и законов механика получила в работах Исаака Ньютона, прежде всего в работе «Математические начала натуральной философии». В этой работе Ньютон вводит понятия: масса, или количество материи, инерция, или свойство тела сопротивляться изменению состояния покоя или движения, вес как мера массы, сила, или действие, производимое на тело для изменения его состояния.
И. Ньютон различал абсолютные (истинные, математические) пространство и время, которые не зависят от находящихся в них тел и всегда равны сами себе, и относительные пространство и время – подвижные части пространства и измеряемые длительности времени.
Особое место в концепции И. Ньютона занимает учение о силе тяготения, или гравитации, в котором он объединяет движение «небесных» и земных тел. Это учение включает утверждения:
1) тяжесть тела пропорциональна заключенному в нем количеству материи или массы;
2) сила тяжести пропорциональна массе;
3) сила тяжести, или тяготение, и есть та сила, которая действует между Землей и Луной обратно пропорционально квадрату расстояния между ними;
4) эта сила тяготения действует между всеми материальными телами на расстоянии.
В отношении природы силы тяготения И. Ньютон говорил: «Гипотез не измышляю».
Механика Галилея – Ньютона, развитая в работах Д. Аламбера, Ж. Л. Лагранжа, П. С. Лапласа, У. Р. Гамильтона, получила в итоге стройную форму, определяющую физическую картину мира того времени. Эта картина основывалась на принципах самотождественности физического тела; его независимости от пространства и времени; детерминированности, т. е. строгой однозначной причинно-следственной связи между конкретными состояниями физических тел; обратимости всех физических процессов.
2. Термодинамика
Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в XIX в. С. Кално, Р. Майером, Д. Джоулем, Г. Гемгольцем, Р. Клаузиусом, У. Томсоном (лордом Кельвином), привели к выводам, о которых Р. Майер писал: «Движение, теплота… электричество представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам»[3]. Г. Гемгольц обобщает это утверждение Р. Майера в вывод: «Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна»[4]. Уильям Томсон уточнил понятия «напряженные и живые силы» до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив энергию как способность совершать работу. Р. Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: «Энергия мира постоянна». Так совместными усилиями сообщества физиков был сформулирован фундаментальный для всего физического знания закон сохранения и превращения энергии.
